高烈度區雙層框架墩基礎方案比選研究

摘要 受限于用地緊張及場地建設條件，雙層框架墩在城市軌道建設中將得到廣泛應用。文章以西安地鐵10號線公軌合建段引橋30 m跨標準框架墩為例，對高烈度區兩種基礎方案進行比選，并進一步分析了整體式承臺的受力規律。與整體式承臺相比，分離式承臺受力更明確、經濟性更好;對整體式承臺，建議先通過比較開裂彎矩與最不利工況的彎矩，判斷截面是否開裂，再偏安全地采用考慮樁-土共同作用的土彈簧模型進行配筋設計。

關鍵詞 高烈度;雙層框架;整體式承臺;分離式承臺

中圖分類號 TU375.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0153-03

引言

隨著我國經濟社會的快速發展，交通擁堵已成為城市“痛點”。同時，城市土地資源日益緊張，征地拆遷和施工組織的難度增大，進一步制約了交通效率的提升。為節約線位資源，提高土地利用率和交通運輸效率，復合通道應運而生。目前，復合通道在我國城市軌道交通中的應用較少，已通車的有上海閔浦二橋、菜園壩長江大橋、朝天門長江大橋、東水門長江大橋。可預見，作為一種集約化的交通模式，復合通道在城市軌道建設中將得到廣泛應用。

經調研，國內公軌合建橋引橋大多采用雙層框架墩，且主要位于低烈度區。對高烈度區雙層框架墩，相關研究和應用較少。因此，有必要開展相關研究，指導該類地區同類型結構的設計。

1 工程概況

西安地鐵10號線公軌合建段引橋上層為六車道快速路，下層為軌道10號線。該區域引橋地震動峰值加速度值為0.2 g，抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度為8度。

引橋上層采用30 m鋼混疊合連續梁;下層受限于運輸條件，采用雙線簡支現澆箱梁。上層蓋梁采用預應力混凝土結構，跨中梁高2.2 m，混凝土等級為C50;下層系梁采用鋼筋混凝土結構，跨中梁高2.2 m，混凝土等級為C50;墩柱間距14 m，尺寸為2.5×2.4（縱×橫）m，混凝土等級為C50;整體式、分離式承臺尺寸分別為18.1×6.9×3.2（縱×橫×厚）m、8×8×3.2（縱×橫×厚）m，混凝土等級為C40;樁直徑為1.5 m，混凝土等級為C35。

根據初步設計成果，上層快速路采用HDR系列高阻尼隔震橡膠支座，下層軌道采用摩擦擺減隔震支座。

2 不同基礎方案比選

雙層框架墩通常采用兩種基礎方案：整體式承臺、分離式承臺。整體式承臺優點是整體剛度大、工后沉降小，缺點是受力機理復雜、適應性差;分離式承臺受力機理明確、適應性強，缺點是整體剛度略小，當橫向地質差異大、荷載不對稱時，工后沉降差異大。下面將對這兩種方案進行同深度比選，供同類工程參考。

2.1 模型的建立

采用Midas Civil建立雙層框架墩的有限元模型（見圖1、2）。構件均采用空間梁單元模擬，樁-土共同作用采用一般彈性支承的剛度矩陣模擬。

2.2 整體式、分離式承臺方案對比

除承臺尺寸不同外，其余構件尺寸均相同。分離式承臺考慮5 mm橫向墩臺沉降差。

地震工況下，兩種方案的結構動力結果見表1。由表可見：

（1）縱向地震作用下，分離式承臺控制截面的彎矩比整體式承臺對應的彎矩略大。

（2）橫向地震作用下，分離式承臺下層墩柱的柱底彎矩比整體式承臺對應的彎矩減小約20%，影響顯著。

（3）縱向地震作用控制墩柱配筋設計。

根據《規范》[1]，計算得左、右墩臺沉降差為0.1 mm，遠小于假定的墩臺沉降差。可見，分離式承臺方案工后沉降差異較小。

圖3反映了兩種承臺方案材料用量的差異。可見，整體式比分離式方案鋼筋用量略高，混凝土用量反之。經測算，整體式比分離式方案材料費貴6.3萬元，即：分離式承臺方案更經濟。

3 整體式承臺配筋設計

目前，試驗和理論研究[2-3]發現，承臺部分為應力擾動區（D區），建議采用拉壓桿模型進行配筋設計。規范[4]的公式適用于墩柱位于承臺中心的情況，對墩柱偏心布置的整體式承臺的適用性有待商榷。因此，有必要建立實體有限元模型，研究這類承臺的傳力機理，為配筋設計提供依據。

3.1 模型的建立

采用FEA NX建立實體有限元模型（見圖4）。按圣維南原理，墩柱高度取3 m;按《規范》[1]，樁長取hm=2（d+1）=5 m。忽略樁-土共同作用，樁底固結。柱頂采用共用節點，施加柱的內力，內力值由考慮樁-土共同作用的土彈簧模型（見圖5）提供;承臺頂采用壓力荷載施加土壓力。墩柱、承臺、樁基采用3D混合網格自動劃分，鋼筋采用1D網格自動劃分，自動網格劃分尺寸均取0.2 m。混凝土和鋼筋單元自動耦合。

3.2 整體式承臺的受力規律

圖6為承臺不同位置處的混凝土應力分布圖。可以看出，在荷載作用下，承臺跨中、距跨中1 950 mm處，承臺橫向混凝土應變基本滿足平截面假定，受力接近一般受彎構件;墩柱內側處承臺橫向混凝土應變不滿足平截面假定，受力接近深梁構件。

3.3 不同計算方法系桿拉力對比

承臺頂、底層橫橋向分別通長布置110? 32、110? 28。

基于劉運林[5]的研究成果，承臺跨中處的開裂彎矩計算值與最不利工況的彎矩值的對比見表2。由表可知，承臺跨中處的開裂彎矩大于最不利工況的彎矩，即：跨中未開裂。

因規范[4]的公式無法考慮整體式承臺跨中上緣橫向受拉的情況，故有必要根據精細化模型揭示的受力規律，構建新的拉壓桿模型（見圖7）。

由表3可以看出，土彈簧模型的拉桿拉力計算值高于FEA NX模型的計算值，偏安全;拉壓桿模型墩柱中心處的拉桿拉力計算值與FEA NX模型的計算值接近，但其跨中處拉桿拉力計算值遠大于FEA NX及土彈簧模型的計算值，其結果可能失真，即：該文的拉壓桿構形不是最優構形，不能最真實地反映承臺的力流傳遞機理。

4 結論

（1）橫向地震作用下，除潛在塑性鉸（上層墩柱柱頂、下層墩柱柱底）外，兩種基礎方案其他控制截面的彎矩差異較小，采用分離式方案可顯著減少下層墩柱柱底的面內彎矩。

（2）對高烈度區雙層框架墩，分離式承臺受力機理更明確、適應性更強、經濟性更好。

（3）整體式承臺進行配筋設計時，建議通過比較控制截面開裂彎矩與最不利工況的彎矩，判斷截面是否開裂。

（4）土彈簧模型可用于整體式承臺的配筋設計，且偏安全，而拉壓桿模型受限于傳力機理復雜，構形不唯一，其適用性有待進一步研究。

參考文獻

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[2]Adeber P.， Kuch ma D.， Collins M.P. Strut and tie? models for the design of pile caps： an experi mental study. ACI Structural Journal，1990（1）：81-92.

[3]盧建峰. 樁基承臺空間桁架理論設計方法研究[D]. 南京：東南大學， 2001.

[4]城市軌道交通橋梁設計規范： GB/T 51234—2017[S].北京：中國建筑工業出版社， 2017.

[5]劉運林， 儲德華， 劉建軍， 等. 鋼筋混凝土梁開裂荷載計算公式比較研究[J]. 建筑結構， 2015（6）：14-17.

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[7]ACI Co mmittee 318. Building Code Require ments for Structural Concrete and Co mmentary（ACI 318-19）[S]. A merican Concrete Institute， 2019.

收稿日期：2022-02-23

作者簡介：謝俊龍（1988—），男，碩士研究生，橋梁設計師，從事橋梁設計工作。